星座旋轉及坐標交織在DTMB系統中的應用研究

侯 曄，潘長勇，楊 昉

（1.成都理工大學 繼續教育學院，四川 成都 610051；2.清華大學 電子工程系，北京 100084；3.清華大學 信息技術研究院，北京 100084）

責任編輯:薛 京

在地面廣播系統中，信道衰落對傳輸信號的質量和傳輸可靠性有很大的影響，嚴重的衰落甚至可能導致傳輸中斷[1]。為了克服衰落信道的影響，通常采用編碼、均衡、分集技術等方法來改善通信質量。分集技術即利用無線通信中載有同一消息信號的多個經歷不同衰落、接收相關性較小的樣本，使用一定信號合并技術改善接收質量，補償信道衰落的影響。按照實現途徑可以將分集技術劃分為時間分集、空間分集、頻率分集、極化分集。作為一種高效的對抗信道衰落、提高信號接收增益的技術，分集技術在許多廣播系統中都得到了廣泛應用。本文中研究一種基于星座旋轉和坐標交織的信號空間分集技術的抗衰落作用，并將這一空間分集技術應用于DTMB系統中，有效地改善了DTMB系統在衰落信道下的性能。

1 信號空間分集技術

以往人們受到傳統星座映射的限制，一直將符號作為一個整體進行處理。隨著分集技術的發展，人們逐漸認識到了將符號按維度劃分開來，在空間層次上實現分集的可能。因此，J.Boutros和E.Viterbo提出了一種信號空間分集技術（Signal Space Diversity，SSD）[2]，通過坐標交織和適當的星座圖旋轉，讓信號的每個維度在衰落信道下經歷獨立的衰落，使得分集階數增加一倍，從而獲得信號分集增益。這種信號空間分集技術非但不會影響系統在AWGN信道下的性能，而且對衰落信道下的系統性能有改善作用。

1.1 星座旋轉

星座旋轉即將星座圖旋轉一定的角度。假設一個星座圖包括M個星座點，記為X={xi},i=0,1,…,M-1，按逆時針方向進行旋轉，旋轉角度為θ，旋轉后的星座圖記為Xθ={},i=0,1,…,M-1，其中

以傳統的QAM映射為例，顯示星座旋轉的作用。16QAM映射的星座旋轉情況如圖1所示，其中標號為i的星座點記為xi。在星座旋轉前，星座點x0，x1，x2，x3具有相同的橫坐標，僅憑實部的信息無法將它們區分開來，需要接收虛部的信息才能確定符號；類似地，星座點x2，x6，x14，x10具有相同的縱坐標，需要接收實部的信息才能確定符號。也就是說，對于每個符號，都需要同時獲得實部和虛部的信息才能進行判斷，否則就會丟失信息。而在引入適當的星座旋轉后，每個星座點的橫坐標和縱坐標都是唯一的，接收時只需要獲得實部信息或虛部信息中的一個就能恢復這個符號，相當于用兩路16PAM信號同時傳遞信息。結合坐標交織，可以使得兩路信號經歷獨立的衰落，增加分集階數。

1.2 坐標交織

坐標交織即將經過星座映射的符號的每個維度分別進行交織，然后重新組合成新的符號進行傳輸。相應地，在接收端也需對接收的符號進行解坐標交織，再完成后續的解映射等處理，恢復得到初始信息。坐標交織可以使得衰落信道下原本屬于同一個符號中的每個維度經歷獨立的衰落，在星座圖的各個維度之間具有一定關聯性的情況下，即使一個維度的信息遇到深衰落而丟失時，也可以通過另一個維度的信息來恢復丟失的信息。由于引入坐標交織，同一符號的I路和Q路同時被深衰落的可能性大大降低，從而減小了誤符號率，提高了系統的糾錯能力。

一般而言，坐標交織需和星座旋轉同時作用，才能有效改善系統在衰落信道下的解映射性能。如果只有星座旋轉而無坐標交織，在深衰落信道中，同一符號的多個維度信息會同時被衰落，無法判斷原始符號。如果只有坐標交織而無星座旋轉，符號的的多個維度之間沒有相關性，當某個星座點的實部（或虛部）信息遇到深衰落而丟失時，也無法確定原始信號是一組具有相同實部（或虛部）的星座點中的哪一個。采用星座旋轉和坐標交織技術的編碼調制系統發射端和接收端框圖如圖2所示。

圖2 引入星座旋轉和坐標交織的系統框圖

2 DTMB系統改進

在2008年公布的歐洲第二代數字電視地面廣播傳輸標準（DVB-T2）[3]中，已經率先采用了結合星座旋轉和坐標交織的信號空間分集技術，并獲得了一定的分集增益。表1給出了DVB-T2在每種星座映射類型下采用的星座旋轉角度。DVB-T2的坐標交織模塊采用了循環Q延時技術，即在坐標交織時，一個交織塊內符號的I路信號（實部）不變，Q路信號（虛部）循環延遲1個單元，以實現實部和虛部的分離。

表1 DVB-T2的每種星座映射類型對應的旋轉角度

中國于2006年8月正式頒布了地面數字電視廣播傳輸標準DTMB[4]，實現了固定電視和公共交通移動電視的數字電視信號傳送。在2011年12月，國際電信聯盟正式將DTMB納入國際標準，成為繼美、歐、日之后的第4個數字電視國際標準。為了改善數字電視業務質量，可以將信號空間分集技術應用在DTMB系統中，以獲得空間分集增益，增強系統在衰落信道下的魯棒性，提高我國數字電視行業在國際上的競爭力。

2.1 星座旋轉設計

星座旋轉的角度選取是信號空間分集技術中的一個重要問題。Kiyani和Weber曾在文獻[5]中通過大量的計算機仿真來搜索最優旋轉角度。值得注意的是，最優旋轉角度的選取和映射采用的星座圖是相關聯的，當星座圖改變時，對應的最優旋轉角度也隨之變化。DTMB標準中支持以下幾種星座映射方案：4QAM-NR，4QAM，16QAM，32QAM，64QAM。由于DTMB和DVB-T2同樣采用QAM星座映射方式，可以參考DVB-T2在星座旋轉方面的研究成果，選擇同樣的旋轉角度。通過大量的仿真實驗，也證明了DVB-T2選用的旋轉角度是兼顧各種編碼方案的最佳選擇角度的折中結果，同樣適用于DTMB系統。

2.2 坐標交織設計

DVB-T2采用的循環Q延時技術雖然存在實現簡便、復雜度低的優點，但同一符號的I路和Q路信號在坐標交織后僅處于相鄰符號上。若有連續多個符號同時受到深衰落影響，則其中大部分符號的I路和Q路信號會同時丟失，難以恢復出原始符號。因此，還需要采用其他的交織方法來增大同一符號的I路和Q路信息經歷的信道之間的不相關性，使得系統的復雜度增加。在本文中，采用Q路逆序的方式實現坐標交織，具體方案如下：進行星座映射得到復數符號后，在一個坐標交織塊內，符號的I路信號不變、Q路信號逆序，重新組合得到新的符號。這一方法可通過簡單的逆序操作達到坐標交織的目的，省去針對坐標的交織和解交織器，節省了運算時間。此外，絕大部分符號的I路和Q路信號在交織后都處于相距較遠的不同符號上，降低了同一信號的I路、Q路所經歷的信道之間的相關性。

3 仿真結果

為了驗證本文所述的結合星座旋轉及坐標交織的信號空間分集技術對DTMB系統性能的改善，在本節中，將分別仿真DTMB編碼調制系統在采用信號空間分集技術和不采用信號空間分集技術兩種情況下的系統性能，并進行比較和分析。具體的仿真參數如表2所示。圖3為采用4QAM作為星座映射方案的仿真結果，圖4為采用16QAM作為星座映射方案的仿真結果。

表2 仿真參數

以誤碼率為10-4時所需的信噪比值為接收門限值，仿真系統的接收門限值如表3所示。在瑞利衰落信道下，本文所述的信號空間分集技術在4QAM和16QAM情況下都能獲得一定的空間分集增益，改善系統的誤碼性能。在4QAM星座映射、0.8碼率的情況下，這一技術甚至能帶來高達1.58 dB的增益。而在16QAM星座映射、0.6碼率的情況下，信號空間分集技術帶來的增益較小，僅有0.10 dB。從圖3、圖4和表3中可以看出，信號空間分集技術在低階星座映射、高碼率的情況下能帶來的增益更為明顯。

表3 瑞利衰落信道下DTMB編碼調制系統的接收門限

4 小結

本文對一種結合星座旋轉和坐標交織的信號空間分集技術進行了研究。該技術能夠有效地在信號的空間層次上實現分集，克服衰落信道的影響，獲得可觀的分集增益，而實現這一技術只需要增加很小的系統復雜度。將這種信號空間分集技術應用于DTMB系統中，在衰落信道下能帶來明顯的性能改善，提高系統的魯棒性。這一性能改善在低階星座映射、高碼率的情況下尤為突出。

[1]王勁濤，楊知行，潘長勇，等.空時發射分集技術在DTTB中的應用[J].電視技術，2005，29（8）：83-85.

[2]BOUTROS J，VITERBO E.Signal space diversity:a power-and bandwidth-efficient diversity technique for the Rayleigh fading channel[J].IEEE Trans.Information Theory，1998，44（4）：1453-1467.

[3]EN 302755 V1.1.1，Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system(DVB-T2)[S].2009.

[4]GB/20600—2006，數字電視地面廣播傳輸系統幀結構、信道編碼和調制[S].2006.

[5]KIYANI N F，WEBER J H.Performance analysis of a partially coherent system using constellation rotation and coordinate interleaving[C]//Proc.IEEE Globecom.New Orleans：IEEE Press，2008：1–5.